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蓝宝石加工用高效水基金刚石研磨液的制备与性能

蓝宝石加工用高效水基金刚石研磨液的制备与性能

  • 分类:行业动态
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  • 来源:
  • 发布时间:2016-05-27
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【概要描述】人工生长的蓝宝石是单晶α-Al2O3,材料透明,与天然宝石具有相同的光学特性和力学性能,对红外线透过率高,有很好的耐磨性,硬度仅次于金刚石,莫氏硬度达9级,熔点为2030℃,且在高温下仍具有较好的稳定性,因此广泛用作固体激光、红外窗口、半导体芯片的衬底、精密耐磨轴承等高技术领域中零件的制造材料,同时还被制成永不磨损表镜及各种精美华贵的饰品[1-2]

蓝宝石加工用高效水基金刚石研磨液的制备与性能

【概要描述】人工生长的蓝宝石是单晶α-Al2O3,材料透明,与天然宝石具有相同的光学特性和力学性能,对红外线透过率高,有很好的耐磨性,硬度仅次于金刚石,莫氏硬度达9级,熔点为2030℃,且在高温下仍具有较好的稳定性,因此广泛用作固体激光、红外窗口、半导体芯片的衬底、精密耐磨轴承等高技术领域中零件的制造材料,同时还被制成永不磨损表镜及各种精美华贵的饰品[1-2]

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  0前言

  人工生长的蓝宝石是单晶α-Al2O3,材料透明,与天然宝石具有相同的光学特性和力学性能,对红外线透过率高,有很好的耐磨性,硬度仅次于金刚石,莫氏硬度达9级,熔点为2030℃,且在高温下仍具有较好的稳定性,因此广泛用作固体激光、红外窗口、半导体芯片的衬底、精密耐磨轴承等高技术领域中零件的制造材料,同时还被制成永不磨损表镜及各种精美华贵的饰品[1-2]。

  蓝宝石在以上领域应用的一个关键因素是其表面加工质量如:表面粗糙度Ra值、表面划痕。若蓝宝石表面加工质量不能满足具体要求,则很难发挥其自身优越的功能,因此良好的表面加工质量是其获得广泛应用的基础。

  金刚石研磨液作为蓝宝石研磨加工环节的关键耗材,对其表面的加工质量起重要作用[3]。本文就金刚石研磨液的制备方法进行简单介绍,与国内外同类产品使用性能进行对比分析。

  1试验

  1.1金刚石研磨液的制备

  具体过程如下:

  ①取润湿剂加入金刚石微粉中,搅拌后超声分散。

  ②取去离子水、表面活性剂、分散剂,加入上述润湿后的金刚石微粉中,搅拌并超声分散,制备成金刚石混合液体。

  ③取上述金刚石混合液体,加入悬浮剂,搅拌并超声分散后制得金刚石研磨液。

  1.2 特征参数对比

  将国外某厂家的产品标注为研磨液L1,国内某厂家的产品标注为研磨液L2,自制的产品标注为研磨液ZZSM,下表1是三种研磨液特征参数:

  

 

  1.3 研磨试验

  研磨试验在YM-18LX单面研磨机上进行,铜材质研磨盘,直径460mm,加液方式为喷液管气动加压喷液。分别应用研磨液L1、研磨液L2、研磨液ZZSM进行研磨试验,并对试验结果(去除速率、表面粗糙度Ra值、表面划痕)进行对比分析。

  研磨工艺参数:研磨盘的转速为80rpm,研磨压力为3psi,加液速度为5ml/min,研磨时间为10min。在研磨液特征参数中,优选磨料径距、摩擦系数、磨料分散性三个参数验证对材料去除速率、表面粗糙度Ra值以及表面划痕的影响。

  1.4检测方法

  1.4.1去除速率检测方法

  应用日本三丰543-691测厚仪在平面度为0级大理石平台上分别测量初始蓝宝石基片5点平均厚度δ1,研磨加工后的蓝宝石基片5点平均厚度δ2,以上工件厚度值的单位为µm,研磨时间为t,单位为min,材料的去除速率为V=(δ1-δ2)/t,单位为µm/min。

  1.4.2表面粗糙度Ra值检测方法

  应用SJ-210型粗糙度仪测量蓝宝石基片表面粗糙度Ra值,分别在其中心位置、离中心2cm圆周位置选取4点,测量4次,然后取其平均值作为该蓝宝石表面粗糙度Ra值。

  1.4.3 表面划痕检测方法

  应用Olympus公司CX21型号光学显微镜,放大800倍对蓝宝石基片表面划痕进行检测;另外采用原子力显微镜对工件表面形貌进行检测。

  2 结果与分析

  2.1不同研磨液对材料去除速率影响对比分析

  下图1是采用研磨液L1、研磨液L2、研磨液ZZSM在相同的研磨试验条件下,各做两次研磨试验,得到的材料去除速率柱形对比图,具体如下:

  

 

  由图1可以看出,研磨液L1去除速率为1.2µm/min;研磨液L2去除速率为1.0µm/min;而应用研磨液ZZSM时,去除速率可达到1.35µm/min,研磨液ZZSM的去除速率分别比研磨液L1、研磨液L2去除速率提高了12%、35%。

  分析其原因,有两点:

  (1)在研磨液ZZSM中磨料径距比研磨液L1、研磨液L2分别减小12.5%、16.7%,由于磨料的径距越小,其粒径分布越集中,在具体研磨过程中,参与有效磨削的磨料颗粒数量就越多,从而可以提高研磨去除速率.

  (2)研磨液ZZSM磨擦系数比研磨液L1、研磨液L2分别降低20%、33.3%,由于研磨液摩擦系数越小,润滑性越好,在具体加工过程中可以减小磨料与工件之间的摩擦力,减缓金刚石磨削刃口钝化的速度,延长金刚石磨削作用的时间,提高研磨去除速率。

  综上分析研磨液ZZSM的去除速率优于研磨液L1、研磨液L2。

  2.2 不同研磨液加工后工件表面粗糙度Ra值对比分析

  下图2为分别采用研磨液L1、研磨液L2、研磨液ZZSM,在相同的研磨条件下,得出蓝宝石表面粗糙度Ra值,并对粗糙度Ra值进行对比分析,具体如下所示:

  

 

  图2表面粗糙度Ra值对比分析

  由图2可以看出,应用研磨液L1加工后,蓝宝石表面粗糙度Ra值为18nm;用研磨液L2加工后,表面粗糙度Ra为25nm;应用研磨液ZZSM加工后,表面粗糙度Ra值16nm。与研磨液L1相比基本相当,还略有下降;比研磨液L2粗糙度Ra值降低36%。

  通过对以上粗糙度值差异的分析,我们认为是由于研磨液ZZSM中磨料径距比研磨液L1与研磨液L2分别降低了12.5%、16.7%的原因造成的,因为磨料径距越大,则磨料颗粒尺寸分布越宽,粒度组成中大颗粒尺寸偏大,在具体加工过程中,大颗粒会相应增大工件表面粗糙度值;另外,由于研磨液L2中磨料出现局部团聚现象,团聚磨料会大大增加工件表面粗糙度值。综上分析研磨液ZZSM加工后工件表面粗糙度好于研磨液L1与研磨液L2。

  2.3 不同研磨液加工后工件表面划痕对比分析

  2.3.1光学显微镜检测结果

  下图3为加工前后的蓝宝石表面形貌图,其中图a是未加工时蓝宝石表面形貌图,图b是采用研磨液L1加工后蓝宝石表面形貌图,图c是采用研磨液L2加工后蓝宝石表面形貌图,图d是采用研磨液ZZSM加工后蓝宝石表面形貌图

  

 

  图3 工件加工前与用三种研磨液加工后表面形貌对比

  从图(a)中可以看出,蓝宝石基片在研磨加工前,表面是凸凹不平。研磨加工后,表面变得平整光滑,只有细微的划痕。

  通过对图(b)、图(c)、图(d)对比分析得知,在图(b)、(c)中,由于所用研磨液中磨料径距大于图(d),由于磨料的径距越大,其组成中的大颗粒会对工件表面造成划痕;图(c)中所用研磨液中有磨料团聚现象,团聚的磨料会对工件表面产生深划痕严重加工缺陷。因此图(b)、图(c)表面的划痕相对较多且明显;(d)中表面的划痕最少且深度浅,效果好于图(b)与图(c)。

  2.3.2原子力显微镜微检测结果

  为了进一步对比分析研磨液L1、研磨液L2、研磨液ZZSM加工后工件表面形貌图,对以上三种研磨液加工后的工件采用原子力显微镜进行检测,其中图a是工件表面形貌图,图b是工件表面划痕深度测量图,图c是划痕深度值统计结果。具体如下图所示:

  

 

  从图4中可以看出,研磨液L1加工后,工件表面划痕较少,划痕深度最大值为1.406μm;从图5中看出,研磨液L2加工后,由于研磨液中有磨料团聚现象,导致工件表面出现深划痕严重加工缺陷,其最大值达到2.140μm;从图6中看出,研磨液ZZSM加工后,工件表面划痕较少,划痕深度最大值为仅为0.0879μm。

  以上研磨加工后划痕深度值的不同,是因为在研磨液ZZSM中磨料径距小于研磨液L1,磨料粒径分布集中,粗颗粒粒径小于研磨液L1中的粗颗粒粒径,因此研磨液ZZSM的研磨加工后,工件表面划痕深度值优于研磨液L1。

  3 结论

  通过以上具体研磨液试验得知,研磨液ZZSM在具体研磨加工过程中,能实现高效的去除速率和良好的表面加工质量的结合,其中材料去除速率可以达到1.35μm/min,蓝宝石表面粗糙度Ra值达到16nm,并且表面无明显划痕。

  参考文献

  [1]文东辉,杨文言,洪滔等.蓝宝石衬底的超光滑表面加工进展磨粒加工法[J].航空精密制造技术,2009(3):247-250.

  WEN Donghui,YANG Wenyan,HONG Tao,et al. Survey on the progress of ultra-smooth sapphire wafer surface[J].Aviation Precision Manufacturing Technology, 2009(3):247-250.

  [2]程国良.超精密磨削蓝宝石基片的软磨料砂轮磨削性能[D].大连:大连理工大学,2008.

  CHENG Guoliang. Grinding performance of soft abrasive grinding wheel used in Ultra-precision grinding sapphire substrate[D].Dalian: Dalian University of Techno-Logy,2008.

  [3] 王吉翠,邓乾发.蓝宝石晶片机械化学研磨抛光新方法研究[J].表面技术,2011,40(5):101-103

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